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赏金总量：60 USD
研究种类：Space Exploration, Mars Base
原文作者: Alex Cheng
创作者：Sleepygirl@DAOrayaki.org
审核者：Xinyang@DAOrayaki.org
原文: How to Get to Mars and Build a Mars Base– by Alex
说在前面
本文旨在介绍为了前往火星并在火星建立殖民地，我们需要哪些脑洞和克服哪些困难，以及目前正在研发的一些黑科技可以如何派上用场。
在后面的讨论中，都假设咱们有充足的资金、材料、人力、时间….同时，假设所有必要的实验与测试均已在出发之前完成。
（ 文中会穿插一些宇宙小照片，这些图片没啥特殊含义，就是好看。）
为什么是火星?
如何去火星搞基建是我最喜欢的研究方向，没有之一，因为几乎所有的宇宙探索活动都逃不开这个问题。而且为了解决它，必将涉及多种地外探索黑科技。比如: 如何设计一个前往火星的火箭、如何探测与适应火星的环境…我个人认为，火星基地一定要搞，或者至少，多考虑考虑。
但这样做有什么意义么，毕竟要花那么多钱、那么多时间与精力？
有意义，而且很多。其中有一些你可能意想不到的：发现地外生命 和 发明新技术改善人类经济与生存环境。
一旦在火星发现了生命，这将是有史以来最伟大的发现。研究地球生命和火星恶劣大气中的生命之间的区别，将改变我们对自我的认识，改变我们对生命、物种的理解。
（ 我们甚至可以找到一只超级太空猴 ）
即使没有发现火星生命，去火星也有意义。至少能让我们知道什么样的环境是没有生命的，这能帮助我们有方向地改善地球环境，解决人类今天面临的最大问题之一——气候变化。
在火星上建立殖民地的另一个好处是，一旦地球的气候变得过于糟糕，或者有小行星撞地球。我们也算有个可以安居乐业的地方。此外，即使火星不作为避难所，尝试去火星也可以发展技术，仍然有助于人类。
许多为太空和宇航员发明的东西，对地球上的人们也很有用。例如，太阳能电池板。
虽然最初太阳能电池板并不是为太空而发明的，但是美国国家航空航天局（NASA）完善了太阳能电池板的设计，并且在太空旅行不那么普及的时候保留了它们。如今，太阳能电池板在对抗气候变化等问题上，效果卓越。
此外，建造火星基地将会给经济带来巨大的好处，激发诸如太空商业、稀有火星矿物的采集等等。一旦建成，很多惊人的新事物也会相伴而生，比如为人类建造一个新家园，开始从火星扩展到更多的地方，创造新技术等等。除了我们称之为家的地球，还有非常多地方值得探索。
建造火星基地对人类是非常有益的，可惜我们不可能打个响指就凭空建造一个火星基地。而且事实上，在火星上建立基地是人类做过的最艰难的事情之一。好在人类不是一个遇到困难就会放弃的物种。这世上不乏有人愿意做艰苦的工作，解决这些棘手的技术问题，来推动火星基地建设，我们可以帮到他们。
所以，让我们朝着夜空最闪亮的那颗星出发，即使失败，我们也会在火星上着陆。
不过仔细想想，登陆火星可不是什么好主意。至少在你没有保护的情况下不会。
火星是一个极其危险的地方，没有任何保护措施直接上去是非常愚蠢的。（但是，如果你能到达火星却忘带宇航服，那你也是厉害。）
火星具有极高的放射性，寒冷（平均温度约为零下62摄氏度）而且非常难以呼吸。土壤有毒，而且还有大规模的沙尘暴，可以阻挡太阳长达几个星期。沙尘暴中的小沙粒可以使机器失效，而且这些沙子也有毒。
所以，这不是个好地方。但幸运的是，在到达火星之前，我们暂时不用考虑这些。那么问题来了，我们怎么去火星呢？
我们用什么火箭？
我们知道，要想进入太空，通常需要一个火箭。目前最适合发射到火星的火箭是太空探索技术公司（SpaceX）目前正在设计的“星际飞船”火箭（Starship Rocket）。
“星际飞船”火箭由两个主要部分组成: 一个是超重型助推器，另一个是名为“星际飞船”的航天器。
目前星际飞船火箭仍在研发阶段，它的设计目标是能够将宇航员及其货物运送到地球轨道、月球和火星。一旦星际飞船火箭设计完成并准备就绪，它将成为有史以来体积最大和推力最大的火箭。同时，它还是可重复使用的。它的问世必将推动太空旅行的发展。它还有巨大的货运空间，至少100吨的载荷和1,100立方米载荷容积。埃隆 · 马斯克非常有信心地认为在未来2-3年内发射“星际飞船”的成本将低于1000万美元。这意味着将星际飞船发射到火星没有想象的那么昂贵。
直接从地球飞到火星，需要大量的燃料。这些燃料占了星际飞船火箭的大部分质量。为了减轻飞船自重我们要绕道去月球。麻省理工学院的研究表明，在月球的某些环形山中开采的月球土壤和水冰，可以转化为燃料。在月球为火箭补充能量，而非在地球直接装满，可以将发射时的质量减少68% 。从长远来看，这会是一个更实惠的策略。
好了，现在已经有了火箭，让我们想想该带点儿什么上去呢？
我们如何获得食物/水？
我们需要给宇航员的第一样东西是食物和水。如果我们把基地部署在火星极地附近，水的问题就可以轻松解决。因为那里有非常厚的冰层，使用过滤器净化后可以直接使用。至于火箭中的水，我们可以使用美国宇航局现有的水系统，其中90% 的水是循环利用的。甚至还可以多花一些时间和精力，以提升水的循环利用效率。
更为棘手的问题是食物。显然，人类需要食物才能生存，所以我们必须带上一些食物。但是食物会占用空间和重量，这是火箭上两个非常珍贵的有限资源。在国际空间站上，食物可以在大约3天内送到，但是送到火星大约需要7个月。由于火星任务可能持续3年，火箭不可能携带期间所有的食物，否则无法携带其他东西。所以我们只能用一部分空间来装载食物，但不能太多。
在火星上给宇航员提供食物的主要方式是养鱼和无土栽培。此所谓“鱼菜共生（Aquaponics）”。
Aquaponics 分为以下五步:
第一步: 喂鱼。
第二步: 鱼的排泄物作为植物的食物。
第三步: 附加 LED 灯或其他东西，为植物模拟太阳光照。
第四步: 植物为鱼清洁水源。
第五步: 重复以上四步。
这是 Aquaponics 最基本的描述，就这么简单。美国国家航空航天局和许多其他太空公司正在对这个方案进行验证。这将是宇航员在火星上的农耕方式与食物来源。理论上，火箭上可以分出一个房间，部分用于养殖，放置鱼缸，植物和鱼食。另一边储存所有的食物和农产品。然后，为了最大限度地利用空间，你可以在那里放张桌子，供宇航员吃饭和交谈。你也可以在放点别的什么东西，但别放不可食用的危险品。鬼知道冲向火星的人会不会误食呢。
火星上不是有辐射吗？
建造火星基地的下一个问题是辐射。除了阿波罗号的宇航员之外，所有的宇航员都没有离开过近地轨道。对于不超出低地球轨道的旅行，宇航员会受到地球磁层的保护。然而，当我们前往火星时，我们已经超出了低地球轨道，不再受到地球磁层的保护。因此，我们需要配置一些安全措施，以确保我们的宇航员不会死在火箭上。不幸的是，我们不仅要担心火箭上的辐射。火星上的辐射也是一个非常严重的问题。由于火星大气层稀薄且缺乏磁层，来自外太空的辐射高达一半会击中地面。事实上，火星的辐射水平可能是地球的50倍，在火星上呆3年，其辐射量就会超过美国宇航局宇航员一生的辐射极限。
那么我们应该如何对抗这种致命的辐射呢？为了战胜辐射，我们首先需要了解辐射。美国宇航局将辐射解释为。“辐射的本质是将能量传递给另一个实体的波或亚原子粒子ーー无论它是宇航员还是航天器的组件。空间中的主要问题是粒子辐射。高能粒子对身体有害，因为它们直接穿过皮肤，沉积能量，沿途破坏细胞或 DNA。这可能意味着以后患癌症的风险增加，或者在最糟糕的情况下，如果高能粒子剂量足够大的话，在任务期间可能引发急性辐射病。”
辐射的第一个来源是太阳，但由于太阳的光子能量低，当宇航员在飞船内部时，飞船的外壳足以格挡太阳辐射。在火星上，可以通过在基地顶部堆积土壤来隔绝太阳辐射。
然而，来自银河的宇宙射线（ GCR）辐射就比较麻烦了。它们和太阳粒子类似，大部分都是质子。一旦这些粒子是由较重的元素组成，并且它们的速度接近光速时，问题就大了。它可以使被撞物体的原子分离。这类辐射非常危险，因为它会破坏火星基地、宇航服和宇宙飞船等。如果我们使用与隔绝太阳辐射同样的方法来隔绝宇宙辐射。即用纯粹的质量来阻挡粒子。那么我们的火箭将会既昂贵，又低效。（更大的质量 = 更多的燃料 = 更多的钱）
另一种解决方案是使用特定的材料或混合材料，有效地保护宇航员、航天器和火星基地免受辐射。这种方法可以节省质量和金钱成本，但需要更多的时间。美国国家航空航天局正在研究一些可以屏蔽一切辐射的材料，他们已经有了许多可行方案。其中之一是使用氢化的 BNNT。BNNT由单层原子组成，碳原子被氮原子和硼原子交替取代。作为美国宇航局的研究产品，其目标是成为“一个空间辐射屏蔽材料系统，可高效率屏蔽辐射，同时具有高强度的结构承载力。”
到目前为止已经进行了多次测试，而且都非常成功。美国宇航局甚至已经能够用 BNNT 制造纱线，将 BNNT 编织到宇航员的宇航服中。以支持宇航员在火星上冒险，或者进行太空行走。然而，在 BNNT 可以应用于航天器等其他设备之前，还需要做更多的研究。总之，我们有两个主要的解决方案。其中之一是昂贵且高质量，但现在就可以用的。另一种需要更多的时间来开发，但从长远来看更便宜，占用更少的重量。
火星尘埃
然而，来自太空的辐射并不是唯一能使宇航员生病的东西。在火星上几乎随处可见的火星尘埃，也是一个大问题。火星尘埃含有有毒的高氯酸盐，如果吸入，可能会对宇航员造成致命伤害。火星尘埃同样带有很强的静电荷，这意味着火星尘埃会附着在任何东西上，比如宇航服。所以你不能穿着宇航服进入基地，也不能穿着舱内装外出。
因此，我们需要设计一个连接基地和外界的玄关。在宇航员进入玄关后，把宇航服脱了。玄关靠基地的门打开后，仅宇航员进入基地，将宇航服留在玄关中。在进入基地之前，宇航员必须清洁自己并进行安全扫描。这个方法很可行。
此外，另一个策略就是让机器人代替宇航员离开基地作业。但由于火星尘埃非常细小，我们必须保证机器人有足够的防尘能力，防止它们的设备和电子元件损坏。
我们已经解决了很多问题，除了火星基地本身。
建造火星基地最重要的部分——栖息地。我建议火星基地的栖息地由哈塞尔和埃克斯利 · 奥卡拉汉两家建筑工程公司承包。他们入围了美国宇航局3D 打印挑战赛的前10名。
首先，我们要为基地选址。在上文中我们已经把选址范围缩小到靠近火星两极的地方，以解决水资源的问题。同时，还需要离火星车工作的地方近一些。此外，我们还需要选一个降落的地方。机器人们在降落点的附近建造一个避难所，以防大规模沙尘暴。关于火星上的天气，几年后我们就有足够的技术进行准确预测了。
栖息地本身由两部分组成。第一部分是栖息地外壳，它保护宇航员居住的生活空间。该部分在宇航员到达之前由自主机器人建造。自主机器人有许多不同的用途，建造栖息地外壳是第一个。
地质扫描机器人负责寻找火星风化层的最佳位置，然后由挖掘机器人对火星土壤进行采集，运送至精炼组件，用于将土壤细化成微小颗粒。这些微小的风化层颗粒被熔化机器人通过浓缩微波的熔融成液体，最终作为3D打印的原料。通过该过程，自主机器人们需要大约几个月的时间将栖息地打印完成。
在建造栖息地的下一阶段，宇航员带着栖息地单元设备和供应品抵达火星。
然后，机器人们开启第二阶段作业，即成为承载栖息地的移动载具。外壳用于保护栖息地和宇航员免受辐射、沙尘暴、极端温度变化等等。
接着，将外壳内的栖息地本身充气。栖息地由6个相连的舱室组成，每个舱室有不同的功能和用途。
最终，当所有舱室链接完成，栖息地也就基本落成了。
由于边角或平面抗压能力弱 ，所以所有的吊舱或玄关模块都是拱形的。这样可以更好的处理内外气压差距。栖息地最终形成一个圆形结构，这个圆形结构确保了在发生事故时，大部分栖息地仍然可以进入。总共有6个玄关和6个主吊舱。每个玄关有3个环境控制生命系统: 数据，氧气和能源。一个环形管道确保每个系统都能到达所有6个主吊舱。在能源方面，基地将由两个核反应堆和一个太阳能发电厂远程提供电力。发电厂和基地之间有一个安全距离。由于反应堆非常大而且笨重，他们应该乘坐另一趟火箭飞船到达火星。
在最后一个阶段，宇航员将带来设备，家具，等生活用品。如此一来，栖息地建设完成。
唯一需要担心的是火星的表面重力只有地球的38% 。因此，宇航员必须经常锻炼，以防止肌肉萎缩、心血管疾病和骨质流失。也许有一天会有一个解决方案，但是现在，我们（或者更确切地说，宇航员）只能通过锻炼身体，并且做很多工作来防止这些问题。
我们怎么去火星？
差不多快完成了。我们已经成功地解决了食物和水的问题，如何免受辐射，如何处理火星尘埃，以及有多少人应该去火星旅行。我们还介绍了应该乘坐哪种飞船，应该在飞船上放置什么，并展望了一些未来技术。
那么现在，我们来讨论一下如何乘坐火箭到达火星。到达火星将消耗大量的燃料，为了减少不必要的燃料消耗，我们要用到霍曼转移轨道。霍曼转移轨道连接着近地轨道和更远的轨道。常被用于到达像国际空间站这样的地方，它是从地球到火星最有效的方式。
同样的，美国宇航局将其形象的解释为 ”想象一个四分卫把橄榄球扔给接球员。投球时的能量就是球运动过程的全部能量了。球沿着弯曲的路径进入接球手的手中。同时，四分卫扔球的时候，并非瞄准接球员去扔。而是瞄准接球员运动方向的前方一段距离。在一次完美的传球中，接球员会跑到球的落点。
发射飞船到火星与此类似。宇宙飞船被给予向火星发射的初始推动力，然后关闭引擎滑行（遵循牛顿第一定律） ，靠惯性接近目标。根据任务的不同，宇宙飞船可以用反向推动火箭或火星大气层本身来减速。最终降落在火星表面。“
另外，发射火箭的时间也有限制。由于地球和火星之间的距离不断变化，只有特定的窗口时间可以发射去火星。大概每25个月会有一次时间窗口。我们必须在那时发射火箭。然后，我们要计算并瞄准火星未来将会到达位置。不然我们没有办法在正确的时间正确的地点与火星相遇。
幸运的是，我们可以在飞往火星的飞行过程中稍微修正火箭的路径。
在未来，太空旅行还有一种可能得技术手段———天钩。如果这项技术问世，太空旅行的成本将大大降低。天钩本身由系链和质心组成。火箭连接在绳索的末端，质心和绳索随地球旋转后，为火箭提供动量。火箭脱离天钩，发射到太空中。失去动量的天钩则会减速，停止运转。当然，如果火箭接入天钩时的动量与离开时相同，那么天钩就不会失去动量，并且理论上会一直运行下去。
虽然该项目目前还没有在建设，不过已经做了一些实验。这很酷。
结论
瞧。去火星建造火星基地的计划。有了源源不断的供给、组件、核燃料和船员，我们就可以建造一个可以持续几十年的火星基地。到达火星并建造火星基地并非易事。为了建立一个成功的火星基地，还有很多事情需要做和准备。所需的材料非常昂贵，只有非常有决心和能力的人才能做到这一点。只有最优秀的人才能完成这个任务。一旦我们建成了火星基地，那就没有什么能阻止我们继续探索宇宙了。我们可以开始建立一个戴森球体，建立一个行星际银河帝国，甚至改造行星生态。如果幸运的话，我们有生之年可能会见证火星基地的建设。我们将一起为宇航员们加油，为人类世界的发展喝彩。
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